Comment des scientifiques ont développé une main robotique pour cueillir des mûres dans l'Arkansas

Imaginez un robot bi-pédale autonome avec 10 bras, chacun équipé de pinces en silicone à trois doigts se frayant un chemin à travers des rangées de mûres, et vous aurez une idée de ce que l'avenir pourrait réserver aux fermes de mûres confrontées à une pénurie de main-d'œuvre.

Des chercheurs de l'Arkansas et de la Géorgie ont montré que les mûres délicates du marché frais, généralement cueillies à la main pour maintenir la qualité, peuvent désormais également être cueillies par des robots.

"Imaginez simplement un robot marchant dans une ferme de mûres, mais le robot a 10 bras", a déclaré Renee Threlfall, chercheuse scientifique en sciences alimentaires à l'Arkansas Agricultural Experiment Station, la branche de recherche de la U of A System Division of Agriculture.

Threlfall et trois autres auteurs ont fait des recherches sur la cueillette robotique et ont récemment reçu le prix Outstanding Fruit Publication Award de l'American Society for Horticultural Science pour leur travail. Le prix a récompensé un article sur la recherche qui a jeté les bases du développement d'une main robotique douce pour développer un robot autonome de cueillette de mûres.

La recherche visant à établir les paramètres de force pour cueillir les mûres a été financée en partie par une subvention du Fonds d'innovation et de collaboration de l'U of A Chancellor avec Yue Chen, auparavant professeur adjoint au département de génie mécanique de l'U of A. Chen est maintenant professeur adjoint dans les départements de génie biomédical du Georgia Institute of Technology et de l'Université Emory. Une subvention du bloc de cultures spécialisées du ministère de l'Agriculture de l'Arkansas a également soutenu la recherche initiale.

Andrea L. Myers était l'auteur principal de la publication en tant qu'étudiante diplômée en sciences de l'alimentation à l'U of A. Elle a collaboré avec Threlfall, avec Chen et Anthony Gunderman, étudiant au doctorat en robotique à l'Institut de robotique et de machines intelligentes de Georgia Tech. Gunderman était auparavant étudiant au doctorat en génie mécanique à l'U of A.

L'article de 2022, "Déterminer les paramètres de récolte manuelle et les impacts sur la commercialisation post-récolte des mûres du marché frais pour développer une pince robotique douce pour la récolte robotique", a été publié dans la revue HortScience.

Myers a déclaré que la première étape du processus de ce projet consistait à établir la quantité de force nécessaire pour cueillir des mûres à la main avec le moins de dommages possible pour les fruits. Il s'avère que pour récolter une mûre, il faut environ la moitié de 1 Newton, une unité de force. Simplement, 1 Newton pourrait être considéré comme l'effort nécessaire pour soulever un petit objet comme une pomme ou une barre chocolatée, a déclaré Myers.

Pour déterminer la quantité de force nécessaire pour cueillir une mûre et endommager le moins possible la baie, l'équipe du projet a conçu des protège-doigts en silicone avec des capteurs biométriques qui mesuraient la force utilisée par une main humaine pour saisir et récolter une mûre.

Avec l'appareil de détection de force porté par un humain, Myers a cueilli plus de 2 000 mûres auprès des producteurs commerciaux de l'Arkansas Sta-N-Step Farm et Neal Family Farm en 2020. Les données ont montré que le pouce appliquait la force la plus élevée, suivi du milieu, index et annulaire. Quatre variétés développées par l'Arkansas pour le marché du frais ont été sélectionnées: Natchez, Osage et les marques Prime-Ark Traveler et Sweet-Ark Caddo. Les mûres ont été évaluées après 21 jours de stockage au froid à 35 degrés Fahrenheit.

Les chercheurs ont comparé la qualité des mûres avec et sans l'appareil de détection de force, et les résultats ont montré que les manchons des doigts n'avaient pas d'impact sur la qualité des baies. La recherche a également montré que seuls trois appendices étaient nécessaires, au lieu de quatre, pour récolter une mûre.

La deuxième phase de la recherche a été réalisée en 2021 avec les collaborateurs Chen et Gunderman pendant leur séjour à l'U of A, où une pince robotique souple à trois volets, entraînée par un tendon, a été développée en utilisant une corde de guitare épaisse comme tendon. Les forces appliquées pour saisir, stabiliser et récolter les mûres avec la pince n'ont pas causé de dommages excessifs après 21 jours de stockage au froid.

Cependant, les fruits récoltés avec la pince en 2021 présentaient 11 % de fuites en plus et 7 % de réversion de drupelettes rouges en plus - lorsque les segments ronds individuels de la mûre passent du noir au rouge - que les fruits récoltés à la main. L'équipe du projet a publié un autre article en 2022 dans IEEE Robotics and Automation Letters décrivant la mise en œuvre de la pince intitulée "Tendon-Driven Soft Robotic Gripper for Blackberry Harvesting".

"Lorsque les mûres mûrissent sur la plante, elles deviennent rouges à noires. Cependant, pendant ou après la récolte, les drupelets sur les baies peuvent devenir rouges, surtout si la baie est endommagée pendant la récolte", a déclaré Threlfall. « La couleur rouge après la récolte n'a pas à voir avec la maturité, mais a plus à voir avec les dommages à la structure cellulaire. Ceci est important car l'USDA a des normes et des grades pour cette réversion de drupelet rouge, donc si un certain pourcentage de mûres dans un conteneur ont une réversion de drupelettes rouges, ils sont rejetés."

Plus d'informations : Andrea Myers et al, Détermination des paramètres de récolte manuelle et des impacts sur la commercialisation post-récolte des mûres du marché frais pour développer une pince robotique souple pour la récolte robotique, HortScience (2022). DOI : 10.21273/HORTSCI16487-22

Anthony Gunderman et al, Tendon-Driven Soft Robotic Gripper for Blackberry Harvesting, IEEE Robotics and Automation Letters (2022). DOI : 10.1109/LRA.2022.3143891

Fourni par l'Université de l'Arkansas